走航ADCP进行断面测量的方法和质量控制

黄 晶

（广西壮族自治区水文中心，南宁 530023）

走航ADCP 作为目前水文测流精度较高的仪器，其测深精度也不低，但《水文测量规范》（SL58-2014）中大断面测量却没有走航ADCP 测量的方法和标准。本文提出SonTek 的M9型ADCP 计算大断面的两种方法与中海达HD-370单频回声测深仪测深数据进行比测，来探讨用ADCP 测大断面计算起点距的方法和所测的大断面数据精度是否满足水文测量的要求。

1 M9型走航ADCP测深原理及精度

Sontek-M9 型走航 ADCP 是有 9 个换能器，4 个倾角 25°的 3.0 MHz 对称波束，4 个倾角 25°的 1.0 MHz对称波束和1个0.5 MHz垂直波束，2组换能器与ADCP 轴线成一定夹角，换能器向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些脉冲碰到水体中的悬浮且随着水体频率改变即多普勒频率，可据此计算出水流相对于ADCP 的运动速度。同时，还向河底发射底跟踪脉冲，测出装载ADCP 的船速和水深。换能器安装在专用的三体船及固定的入水深度（计算水深时，软件已自动加上如水深），并保证在纵摇正负10°以内，横摇正负5°以内情况下，换能器始终保持置于水面以下，通过横纵摇数据对水深数据进行修正。同时外置罗经GPS 可以获得一定精度位置坐标，从而计算出航向和航距。

M9 型ADCP 仪器的测深技术参数为：①测深范围：0.2～80 m；②测深分辨率：0.01 m；③准确度：1%；④罗盘/倾斜传感器：测量范围为360°；⑤航向准确度：±2°；⑥ 横摇/纵摇准确度：±1°；⑦ GGA/VTGGPS准确度（定位）：亚米级。

2 HD-370回声测深仪原理及精度

中海达HD370全数字回声测深仪由发射、接收换能器、显示设备及电源组成，可得精度较高的水深数据，再加上仪器入水深度和实时水位数据可以快速计算出实时的河底测点高程，配合中海达（V30）GPS-RTK 技术获取实时的位置数据，从而计算出测点的起点距。

中海达性能主要指标：工作频率200kHz，测深范围0.3～120 m，测深精度：±1 cm+0.1%h。

测深原理：假设声波在水中的传播速度为V，当在换能器探头加窄脉冲声波信号，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测降面积测流法在清水河洪得声波信号往返行程所经历的时间为t，则从探头到水底的深度Z=Vt/2，Z加上探头吃水深度就是水深H了。

3 比测实验

3.1 测验河段概况

桂平水文站属于国家重要水文站，位于广西东南部的桂平市，集雨面积198 655 km2，属于珠江流域西江水系黔江河段，测站断面河道顺直，平水期河宽约500 m，平均水深约10 m，最大水深约18 m。高低水时均无分岔流、串沟回流及死水的情况。河床由沙质土和卵石组成，左岸为粘土组成，右岸为沙质土和浆砌石护坡组成。

3.2 比测过程

利用测船将HD-370 回深测深仪和ADCP 安装在船的两侧，同时进行大断面水深测量。测船通过测深仪外接显示设备的测量导航软件进行航行。在测量过程中，尽量控制航行时不超过断面线的上下游5 m外包线（见图1），确保水深测点均是断面线附近测点，减小测点不同造成的误差。

图1 桂平水文站断面走航ADCP航迹坐标图（采用RTK定位坐标）

3.3 比测数据精度分析

测深仪测深和走航ADCP测深的方法均是不停的向河底发出并接收测量信号，因此采集的测点数据密而且多。根据《水文测量规范》（SL58-2 014）中表3.3.6 规定“大断面测量的最少测深垂线数目规定，300～1000 m 的河宽窄深河道垂线数不少于15条”。因此本文以HD-370测深数据为标准，选取起点距每间隔1 m 的整米测点水深数据进行误差比对，判断走航ADCP连续测深的精度。

在计算走航ADCP 测点起点距时，可以有两种方法计算，第一种是利用M9型ADCP原配的外接罗经测量的经纬度数据转换成大地坐标，从而计算出起点距；第二种方法是利用M9 流量采集流软件中的航距来确定起始位置，再加上水边距离和水边的起点距算出测点起点距。以测深仪所测的大断面为标准，将两种方法所测的大断面与其分别进行对比（如图2、图3），发现两种计算走航ADCP 起点距的方法都与测深仪实测断面有一定的水平偏移，图2 的ADCP 断面的比较散乱无规律，而图3 的ADCP断面从中段开始向左偏移。

图2 测深仪实测断面与走航ADCP实测断面（用罗经定位数据计算起点距）比较图

图3 测深仪实测断面与走航ADCP实测断面（用航距计算起点距）比较图

将两种走航ADCP所测断面的整米数据按水位级划分 5 m 以下、5～10 m 和 10 m 以上 3 组进行误差分析（见表1、表2）和整米样本的相对误差统计表（见表3、表4）。

表1 测深仪与走航ADCP水深误差对比表（用罗经定位数据计算起点距）

表2 测深仪与走航ADCP水深误差对比表（用航距计算起点距）

表3 水深相对误差统计表（用罗经定位数据计算起点距）

表4 水深相对误差统计表（用航距计算起点距）

从统计数据看，用航距计算起点距的方法的大断面精度较好。将走航ADCP用航距计算方法所得的断面成果与测深仪断面成果在不同水位下的河宽和过水断面面积进行比较（见表5），结果是断面河宽相差不大，不同水位下过水断面面积不超过0.2%，对计算流量影响不大。测深仪和走航ADCP断面测点垂线水深对比表见表6，从原始数据上看，测深仪最深的测点起点距为337.00 m与走航ADCP最深测点的起点距336.43 m相差0.57 m。最深测点分别为15.62 m和15.63 m，基本一致。

表5 测深仪断面与走航ADCP过水断面面积在不同水位的误差（用航距计算起点距）

表6 测深仪和走航ADCP断面测点垂线水深对比表（部分）

390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520最深11.80 10.28 10.30 12.26 14.22 12.68 14.24 12.96 13.18 12.92 11.95 9.79 7.02 3.68 15.62 11.89 10.47 10.42 12.66 14.53 12.83 13.95 12.79 13.58 12.69 11.79 9.92 6.59 3.58 15.63-0.09-0.19-0.12-0.4-0.31-0.15 0.29 0.17-0.40 0.23 0.16-0.13 0.43 0.10-0.01

3.4 比测结论

（1）走航ADCP 测大断面的起点距计算方法可以用罗经测的坐标计算，也可以用ADCP 流量计算软件的航距计算断面起点距，从两种方法所测的断面成果比较（以HD-370 测深仪的数据作为标准断面），用航距计算断面起点距的方法误差较小，原因是罗经的定位精度为亚米级，从ADCP 测流测验软件中所测的经纬度精确到秒位的小数点后第二位，根据经验，误差大约为0.3 m，误差为随机误差；通过航距所计算的起点距时，由于航行非直线，造成一定的累积计算误差，导致所测断面整体向一侧偏移。

（2）根据《水文测量规范》（SL58-2014）中第3.2.3条“测深锤或铅鱼两次测得水深相对误差应不大于3%。河底不平或有风浪时，应不大于5%”规定，走航ADCP 用起点距计算断面的成果误差有75.6%小于3%，有88.7%小于5%。

（3）桂平站河底由沙质土和卵石组成，当测深仪和走航ADCP 不在同一个测点时（两个仪器分别在测船两侧），会造成一定的误差。

（4）走航ADCP 用航距计算方法所得的断面成果与测深仪断面成果在不同水位下的河宽相差不大且过水断面面积不超过0.2%，对计算流量影响不大。

4 走航ADCP测量大断面的精度控制

目前，利用走航ADCP 测量大断面的方法还没有正式列入规范的大断面测量当中，从本文走航ADCP 用起点距计算断面的方法的数据上，该方法有一定的可行性，但在使用其进行断面测量时需注意以下几点，以提高断面数据的精度。

（1）测量大断面时间应选择汛前或者汛后的平水期，水位变化较小，流速不大的月份。

（2）测深点相对断面的上下偏距不大于水面宽5%，且不大于5 m。根据仪器给出的参数，测量断面水深应在0.2～80 m之间。

（3）每次测量前后，应根据不同水深分级，在断面的不同水深点与其他测深工具进行定点比测，比测点宜为3～5点，并记录比测数据。水深不大于20 m时，比测互差应不大于0.2 m，水深大于20 m时，比测互差应不大于水深的1%。

（4）河宽较窄的断面（50 m 以下），应利用绳子在测量断面两岸对拉三体船，让三体船行驶在断面线上；如测量断面有缆道，可利用缆道拖拉三体船，尽量避免缆道垂度造成三体船向下游偏离；当河宽较大时（大于100 m），无法利用绳子对拉且无缆道进行拖拉的测站，在利用无人船或测船拖拉三体船的，应尽量使航线与断面线重合，航速不宜过小，以保证航迹顺直，航向稳定；船速也不宜过大，保证垂直波束的数据质量和测点的密度。

（5）断面测次应至少安排1个测回，比较2次断面面积和图形差别，如差别过大需及时复测。

（6）在处理ADCP 数据过程中，应将河底高程展到图上，对有突变的单点数据（毛刺）进行平滑修正，发现河底高程与历年断面有较大的变化时，应及时查找原因；如有需要，需及时复测。

5 结语

大断面测量是水文工作一项重要的工作内容，在全国中小河流项目建设结束后，每年汛前、汛后的专用水文（位）站都有很多大断面测量工作任务。走航ADCP 已转为我区常用的测流设备，其测流历时短，操作简单效率高的特点受到广大水文职工的使用。

本文所选取的实验断面河宽较大，为通航河段，测量当天过往船只较多，且有一定流速（流量约4800 m3/s，平均流速约1 m/s），对当天的行船（测船）有一定影响，但从实验数据上看，ADCP有较为精确的测深功能，如今后走航ADCP能开发出结合RTKGPS模式的测量软件，结合自身测深的简便、方便渡河的优点，相信今后可以减轻中心站职工测量大断面的工作负担。